Die Erfindung betrifft eine Faser für tribologische Anwendungen. Unter einer Faser wird dabei ganz allgemein ein im Verhältnis zu seiner Länge dünnes Gebilde verstanden.
Fasern, wie Metall-, Keramik-, Natur-, Polymerfasern od. dgl. bilden in vielen Bauteilen, wie z.B. in Reibbelägen einen sehr wichtigen funktionellen Bestandteil. Durch die Faserstruktur leisten sie einen wesentlichen Beitrag zur mechanischen und strukturellen Festigkeit und durch ihre thermische Leitfähigkeit werden sogenannte "hot spots" vermieden. Fasern werden generell in synthetische Fasern, natürliche Fasern sowie recyclierte Fasern aus natürlichen und/oder synthetischen Produkten unterteilt.
Tribologische Kontakte zwischen Reibbelag und Bremsscheibe bilden sich hauptsächlich an den Grenzflächen der verwendeten Metallfasern. Die Kontakt-Plateau Theorie besagt, dass sich an der Oberfläche von Bremsbelägen Kontaktplateaus bilden, die sich über den Rest der Belagsoberfläche erheben. Der reale Kontakt des Reibpaares findet innerhalb dieser Kontaktplateaus statt, weshalb Größe und Zusammensetzung dieser Plateaus entscheidenden Einfluss auf das Reibverhalten eines Belages haben. Man unterscheidet hierbei primäre Kontaktplateaus, die von verschleißstabilen, härteren Bestandteilen, z.B. Fasern oder Abrasivpartikeln, gebildet werden und sekundäre Plateaus, die aus verdichteten Verschleißpartikeln bestehen, die sich vor den primären Plateaus anlagern und dort kompaktiert werden.
Die Verwendung von Festschmierstoffen, wie z.B. Graphit und/oder Metallsulfiden ist in vielen Anwendungen Stand der Technik. Festschmierstoffe im Allgemeinen, Metallsulfide im Besonderen werden zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften u.a. in den Anwendungen Reibbelag, Tribokunststoff, flüssiger und pastöser Schmierstoff, Gleitlacke, Abrasivkörper und Sinterformteile, verwendet. Metallsulfide bewirken eine Verringerung des Verschleißes der Reibpartner, können Reibwerte stabilisieren und modifizieren und werden als Komfort-Additive gegen unerwünschte Erscheinungen eingesetzt. Unerwünschte Erscheinungen umfassen unter anderen Rupfen, Rubbeln, Stick-Slip-Phänomene, sowie hoch- und niederfrequente Schwingungen des Tribosystems.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass z.B. bei Bremsbelägen im Betrieb die beigemischten Festschmierstoffe von den Kontaktplateaus wegwandern und bereits nach kurzer Betriebszeit für den eigentlichen Kontakt der Reibpartner nur in einem geringem Ausmaß zur Verfügung stehen und somit für tribologische Zwecke nur vermindert wirken können.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Faser anzugeben, die es ermöglicht, die tribologischen Eigenschaften von Bauteilen deutlich zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass eine Faser für tribologische Anwendungen bereitgestellt wird, welche zumindest einen Festschmierstoff umfasst oder mit zumindest einem Festschmierstoff oberflächenbehandelt ist, wobei die Faser eine Metallfaser, Keramikfaser, Naturfaser, Polymerfaser, Zellulosefaser, Aramidfaser, Kunststofffaser, Glasfaser, Nanofaser oder Kohlenstofffaser ist,und wobei der Festschmierstoff ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus SnS, SnS2, Bi2S3, ZnS, WS2, CuFeS2, CuS, Cu2S, MnS, Sb2S3, TiS2, Sulfiden von Cr/Co/Ni, Sn2S3, MoS3, WS3, Fel-xS, MnS2, Sb2S5, ZrS2, CaS, MgS, Sulfiden von La, Ce, mehrphasigen Metallsulfiden aus verschiedenen Metallen, BN, PTFE, Phosphaten, Oxiden, oder Mischungen davon, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser sulfidiert ist.
Unterschiedliche Methoden der Sulfidierung entsprechen dem Stand der Technik.
Der Festschmierstoff kann dabei erst an der Oberfläche der Faser entstehen, an der Oberfläche der Faser angeordnet werden oder umfasst die Faser ganz oder teilweise.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung von sulfidierten Fasern, die oberflächlich oder vollständig aus Festschmierstoffen bestehen oder mit diesen beschichtet sind, können Festschmierstoffe direkt und gezielt in die Nähe von tribologischen Kontaktplateaus gebracht werden, die sich in und um die primären Kontaktplateaus, gebildet von strukturgebenden Fasern, befinden, und im Bereich dieser tribologischen Kontaktplateaus gehalten werden, da die fasrigen Festschmierstoffe im Faserverbund nicht, oder nur erschwert wegwandern können.
In der
Im Gegensatz zur weit verbreiteten Meinung, ist die Schmierwirkung im Fall von Graphit keine intrinsische Eigenschaft, sondern auf die Gegenwart von Dämpfen oder kleinen Molekülen wie z.B. Wasser angewiesen. Im Vakuum oder in trockener Umgebung verliert der Graphit seine Schmierwirkung. Bei Temperaturen über 160°C in trockener Umgebung verdampft die Feuchtigkeit und die Schmierwirkung von Graphit sinkt. Gerade in der Anwendung für Bremsbeläge sind aber konstante Reibwerte über einen breiten Temperaturbereich sehr wichtig. In der Kontaktzone zwischen Bremsbelag und Bremsscheibe werden kurzfristig auch Temperaturen über 800°C erreicht. Aus diesem Grund können nur Festschmierstoffe, die sich von Graphit unterscheiden, im Rahmen der Erfindung zur Schaffung einer Faser zur Verbesserung von tribologischen Eigenschaften eingesetzt werden. Entscheidend für die Erfindung ist die Verwendung von Festschmierstoffen, ausgenommen Graphit, zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften.
Die erfindungsgemäße sulfidierte Faser kann in zwei unterschiedlichen Varianten hergestellt werden, nämlich durch die Oberflächenbehandlung von Fasern, chemische oder physikalische Aufbringung von Festschmierstoffen auf die Oberfläche von Fasern, mit oder ohne Bindemittel, und durch die Herstellung von Fasern, welche zumindest einen Festschmierstoff enthalten. Es hat sich gezeigt, dass Mineralfasern für die erfindungsgemäße Anwendung nicht geeignet sind, weshalb sie vom Schutz ausgenommen sind.
Als Faser kommen daher - mit Ausnahme von Mineralfasern - z.B. Zellulosefaser, Aramidfaser, Kunststofffaser, Metallfaser, Glasfasern, Nanofasern, Kohlenstofffaser zur Anwendung. Die Verfahren zur direkten Herstellung von Fasern aus Festschmierstoffen umfassen in weiterer Ausbildung der Erfindung Lasersintern, Schmelzextraktion, spanabhebende Faserherstellung, Formwalzen, sowie Spinnverfahren und andere.
Die erfindungsgemäße Faser kann je nach Anwendungsbereich in ihrer Länge oder in ihrem Durchmesser ohne Einschränkung variieren.
Der Festschmierstoff, aus welchem die erfindungsgemäße Faser gebildet ist oder mit dem sie beschichtet ist, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform aus zumindest einem Metallsulfid gebildet sein.
Um einen wirksamen tribologischen Effekt durch die Faser erzielen zu können, hat sich herausgestellt, dass gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung der Anteil des zumindest einen Festschmierstoffes zumindest 3 Gew.%, besser zumindest 4 Gew.%, insbesondere zumindest 5 Gew.% und bevorzugt zumindest 10 Gew.% beträgt.
Gemäß der Erfindung ist die Faser sulfidiert, sodass an der Oberfläche der Faser z.B. ein Metallsulfid ausgebildet ist, das als Festschmierstoff wirkt.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel kann darin bestehen, dass die Faser eine Eisensulfidfaser oder eine Zinn-Eisensulfidfaser ist.
In weiterer Fortbildung der Erfindung kann der Festschmierstoff zur Herstellung der erfindungsgemäßen Faser als mehrphasiges Metallsulfid vorliegen.
Der Festschmierstoff kann zur Herstellung der erfindungsgemäßen Faser gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung aus SnS, SnS2, MoS2, Bi2S3, ZnS, WS2, CuFeS2, FeS, CuS, Cu2S, MnS, Sb2S3, TiS2, Sulfiden von Cr/Co/Ni, Sn2S3, MoS3, WS3, Fe1-xS, MnS2, Sb2S5, ZrS2, CaS, MgS, Sulfiden von La, Ce und mehrphasigen Sulfiden aus verschiedenen Metallen, BN, PTFE, Phosphaten, Oxiden oder Mischungen davon gebildet sein.
Eine der bevorzugten Anwendungen, für die erfindungsgemäßen Fasern ist die Reibbelagsindustrie, genauer die Verwendung in den verschiedenen Reibbelagstypen: Scheiben- und Trommelbremsbeläge, Kupplungsbeläge sowie sonstige Bremsbeläge, etwa Industriebeläge aber auch solche für Bremsen von Windkraftanlagen die sowohl kunstharzgebunden also auch gesintert oder sonst wie gebunden sein können. Der Anwendungsbereich der Erfindung umfasst alle Formulierungstypen wie Low-Met, NAO, Sinter, Semi-Met, Hybrid und sonstige.
Alle weiteren Anwendungen, in denen Fasern verwendet werden, und in denen neben der Struktur auch die Tribologie eine Rolle spielt sind im Rahmen der Erfindung möglich. Eines der Anwendungsgebiete ist z.B. die Kunststoffindustrie insbesondere die Tribokunststoffe. Entsprechend können diese die erfindungsgemäße Faser enthalten.
Weiters betrifft die Erfindung eine Reibbelagmischung, welche eine erfindungsgemäße sulfidierte Faser umfasst.
Die erfindungsgemäße Reibbelagmischung kombiniert die anwendungstechnischen Vorteile von Festschmierstoffen, z.B. Metallsulfide, und Fasern. Für den Ersatz von Kupfer in Bremsbelägen - zum Beispiel - ist es unerlässlich verschiedene Vorteile zu kombinieren, um die Eigenschaften von Kupfer in der Anwendung im Reibbelag nachzustellen. Durch den Einsatz von Verbundfestschmierstoffen, in diesem Fall strukturgebende und gleichzeitig schmierende Fasern, wird eine nachhaltige Verbesserung der tribologischen Eigenschaften erreicht. Entsprechend der "Kontakt-Plateau-Theorie" bietet eine erfindungsgemäße Festschmierstoff-Faser bzw. ein erfindungsgemäßer faserförmiger Festschmierstoff sehr gute Charakteristiken, um Reibbeläge in allen Belangen zu verbessern. Weiters kann vorgesehen sein, dass der Füllstoff der erfindungsgemäßen Reibbelagmischung aus einem oder mehreren aus Bariumsulfat, Calciumcarbonat, Calciumhydroxid, Calciumfluorid, Eisenoxid, Siliciumdioxid, Vermiculit, Magnesiumoxid, Talk, Zirkoniumsilikat, Zirkoniumoxid, Glimmer, Metallpulver, Molybdänoxid, Aluminiumoxid, andere Metalloxide, Siliciumcarbid, Wollastonit, Kaliumtitanat, Chromit, Calciumsulfat-Whiskers, Petrolkoks, Gummimehl, Nitrilkautschuk, Acrylkautschuk, Friction Dust gebildet ist.
Weiters betrifft die Erfindung einen Brems- oder Kupplungsbelag, bestehend aus einer gebundenen Reibbelagmischung gemäß der Erfindung.
Beispielhaft sind hier die anwendungstechnischen Ergebnisse von einigen sulfidierten Fasern im Vergleich zu den jeweils gleichartigen aber nicht sulfidierten Fasern (Blank) in Bremsbelägen gezeigt.
Die sulfidierten Fasern wurden in eine gängige Low-Met Formulierung eingebracht und Bremsbeläge wurden verpresst. Die anwendungstechnischen Eigenschaften der Beläge wurden mittels AK-Master Test entsprechend der SAE J2522 am Dynamometer getestet. Die verwendete Schwungmasse ist den nachfolgend dargestellten Ergebnissen zu entnehmen. Das verwendete Bremssystem ist Typ Golf I.
In Tabelle 1 sind die Verbesserungen in den Bereichen Belagsverschleiß und Durchschnittsreibwert, sowie beim minimalen Reibwert aus dem AK-Master-Block "Fade 2" dargestellt. Über die beispielhafte Versuchsreihe können Verbesserungen im Belagsverschleiß um bis zu 49% im Vergleich zum jeweiligen Blank erzielt werden, für den Durchschnittsreibwert lt. AK-Master Test kann eine Verbesserung um bis zu 9% erzielt werden und für den Mindestreibwert eine Verbesserung um bis zu 43%.
Die Tests wurden in einer kupferfreien Grundmischung wiederholt. In dieser Formulierung können Verbesserungen beim Belagsverschleiß von bis zu 29%, beim Reibwert eine Erhöhung um bis zu 13% und beim Fading 2 eine Verbesserung um bis zu 43% erzielt werden.
Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt.
Die Reibbelags-Formulierungen zur Erprobung der Vorteile der funktionellen Faser sind nachfolgend dargestellt. Beim anwendungstechnischen Vergleich wurden jeweils Stahlfasern bzw. Edelstahlfasern bzw. Steinwolle oder Aramidfaser durch die jeweilige sulfidierte Type ersetzt.
Dabei entstehen üblicherweise Abrieb (Verschleiß) und Reibungswärme.
Weitere Beispiele von Fasern im Sinne der Erfindung sind im Folgenden skizziert:
- Konzentrationen der Festschmierstoffe an der Oberfläche der beschichteten Stahlfasern:
- Zusammensetzung der Sulfide in den umfassenden Metallsulfid Fasern:
- Festschmierstofffasern:
direkte Herstellung z.B. durch Schmelzspinnverfahren (Melt Spinning), für Festschmierstoffe, z.B. Metallsulfide oder mehrphasige Metallsulfide aus einer eigens dafür hergestellten Schmelze. Beispiel dafür ist eine Faser aus SnS. Verwendet wird im Reibbelag der gesamte Faseranteil bzw. eine Fraktion der hergestellten Faser.
Bei der Umsetzung hat sich gezeigt, dass der Festschmierstoff an die Faser gebunden, bzw. die Faser umfassend, anders verteilt im Reibbelag vorkommt, also, dass er an der Stelle platziert werden kann, wo er benötigt wird und den tribologischen Kontakt unterstützt und die Vorteile der Verschleißminimierung und Reibwertstabilisierung ideal unterstützt. Weiters kann sich der Festschmierstoff, an die Faser gebunden, innerhalb der Reibbelagsmischung, vor dem Pressen, nach der Vormischung, nicht mehr sedimentieren und bleibt somit auch im fertigen Verbund homogen verteilt.
Es hat sich gezeigt, dass aus der Erfindung auch ein ökologischer Vorteil entsteht, nämlich die Reduzierung von Buntmetallen, allen voran Kupfer, in Reibbelägen, welche sonst durch den entstehenden Verschleiß in die Umwelt gelangen und ihre ökotoxische Wirkung entfalten können.
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